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Un flywheel (volante de inercia) es un dispositivo que almacena energía eléctrica como energía cinética (o inercial) de una masa dispuesto en forma de rotor girando a una velocidad muy alta. La figura muestra la estructura de una unidad convencional de volante de inercia.
La carga/descarga del dispositivo se realiza a través de un máquina eléctrica integrada operando como un motor para acelerar el rotor hasta la velocidad requerida para potencia nominal de absorción desde la red eléctrica (modo carga( o como generador para producir la energía eléctrica para la demanda usando la energía almacenada en la masa de la volante de inercia por la desaceleración del rotor (modo descarga). La energía almacenada es directamente proporcional al momento del rotor del flywheel y al cuadrado del momento angular, una razón por el cual se incrementa la velocidad de rotación es porque trae grandes bebeficios sobre la densidad de energía almacenada. Se tiene actualmente dos tipos de flywheels: de alta velocidad (HS: cerca de los 40000 RPM) y de baja velocidad (LS: alrededor de los 7000 RPM). Modernas flywheels con cojinetes magnéticos superconductores posee una muy alta eficiencia que es superior al 90%.
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La importancia del impacto significativo de la energía eóliac se inició a principios de los 80’s muy relacionado con la crisis del petróleo de mediados de los 70’s. Durante este periodo, una simple y robusto concepto de turbina emergencia y causó una muy popular impresión en la industria de la energía eólica. El simple y robusto modelo incluye un rotor de turbina de viento de tres álabes, una caja de engranajes, una máquina de inducción diractamente conectada a la red eléctrica y un sistema de control.
A pesar de ser barato y muy robusto, la calidad de la energía era muy pobre y, en algunos casos, esto influenciaba en el nivel del voltaje de la red eléctrica. Durante los 80’s, más instalaciones de generación eólica han sido limitados a pocos cientos de kilowatts para las redes existentes. El tamaño de aquellas instalaciones no deberían sobrecargar la estabilidad del sistema de potencia y el aseguramiento de la calidad del voltaje debía ser simple (cuando se conectaba a sistema de potencia convencionales).
La época de los 90’s representan un importante cambio a través de: nuevos conceptos emergencia causados por la demanda para una producción más eficiente y era completado con los requerimientos de la calidad de energía. Durante los 90’s, las turbinas de viento (o parques eólicos) crecieron en tamaño y capacidad desde pocos centenares de kilowatts al tamaño de megawatts. El incremento de la potencia de las parques eólicos en áreas con buenas recursos de viento trajo consigo la inquietud: «que tanto se puede tolerar las interferencias de la generación eólica a los sistemas de potencia?». En esa década se hizo análisis de la calidad del voltaje de la energía eólica y la economía de los sistemas de potencia que incluyan generación eóliac.
A finales de los 90’s, con los parques eólicos en el rango de cientos de megawatts, se inicia los estudios sobre la estabilidad del voltaje transitorio de los sistemas de potencia. Estos estudios focalizan sobre el comportamiento dinámico de las máquinas de inducción durante perturbaciones, donde los efectos dinámicos de las turbulencias son despreciables. Durante el mismo período una tarea de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC estableció un procedimiento estándar: IEC 61400 – 21 para establecer los estándares técnicos de asegurameinto de la calidad de la energía eólica desde turbinas de viento.
Hoy en día, algunos sistemas de potencia tienen problemas de integrar cientos de megawatts de generación eólica, los cuales son desentratizados sobre grandes extensiones (distribuidos). En este momento, los problemas de planeamiento, operación y control de los sistemas de potencia con gran generación eólica son muy importantes de estudios. Sobre estos problemas, los principales cambios son clasificados en términos de planeamiento, operación y sistemas de gestión de energía, y de performance de sistemas.
En lo que es planeamiento se focaliza sobre la coordinación de los operadores de los sistemas de transmisión y la naturaleza estocástica de la generación eólica, esto incluye lo económico y financiero. También concierne a este item lo concerniente a la fiabilidad.
Los sistemas de operación y de gestión de energía focalizan el pronóstico de la generación eólica y su relación a comportamiento de tendencias. Esto incluye el análisis de seguridad y la reserva de potencia para establecer una operación fiable del sistema de potencia completo.
En lo que es performance del sistema de potencia, éste se focaliza en el control del voltaje y la frecuencia, los índices de calidad de potencia, y sobre el comportamiento dinámico de las fuentes de generación de potencia.
Veamos en esta entrada un modelo dinámico que describe las características dominantes de la turbina de viento (en este caso, una turbina de viento clásica) como un primer paso para que luego lo integren con más elementos que lo harán más complejo. La figura muestra una turbina de viento de dos palas con eje de transmisión horizontal que conecta la caja de engranajes hasta el generador. Se tiene momentos de inercia asociados, quizás el mayor momento de inercia está en el gran rotor. El viento aplica un torque aerodinámico Tv sobre el rotor. La red eléctrica o la electrónica de potencia aplica un torque eléctrico Te sobre el generador.
El rotor presenta un momento de inercia Ir y un coeficiente viscous damping Br.Equivalente podemos decir del generador que presenta tambien un momento de inercia Tg y un coeficiente viscous damping Bg. También se dan a saber los coeficientes de rigidez torsional tanto en el eje de baja velocidad como en el eje de alta velocidad. Diferentes ángulos se dibujan en varias partes del sistema, esto debido a la deformación de los materiales producto de los esfuerzos de torsión. De igual manera podemos afirmar también de los ángulos que son configurados para el rotor..
Además de todo esto tenemos la corriente de exitación, la potencia activa y reactiva que son suministrados a la red eléctrica, y también, la frecuencia, voltaje a la salida del generador, fase de la frecuencia, factor de potencia y voltaje en el punto de conexión a la red.
De la figura se puede ya relacionar las variables consiguiendo las ecuaciones del sistema y que lo puedes simular en Matlab/Simulink of MathWork Inc… os espero que le sea de utilidad.
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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